CC BY
327
© К.Н. Трубецкой, Ю.И. Волков, А.А. Изотов, Ю.В. Пономаренко,
2006
УДК 622.5
К.Н. Трубецкой, Ю.И. Волков, А.А. Изотов,
Ю.В. Пономаренко
ОСУШЕНИЕ ГЛУБОКОЗАЛЕГАЮЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ СИСТЕМАМИ ВОССТАЮЩИХ ДРЕНАЖНЫХ СКВАЖИН - ТЕХНОЛОГИЯ БУДУЩЕГО
Семинар № 15
~П настоящее время в России и
X# большинстве других стран приповерхностные и необводненные, крупные и суперкрупные месторождения практически отработанны. Поэтому
дальнейшее развитие минерально-
сырьевой базы во многих регионах связано с необходимостью освоения глубокоза-легающих и обводненных месторождений или глубоких горизонтов на действующих предприятиях, характеризующихся весьма сложными гидрогеологическими условиями, разработка которых без проведения комплекса осушительных мероприятий практически неосуществима. Острота возникшей проблемы в особенности заметно стала нарастать со второй половины прошлого века с началом строительства новых горно-добывающих предприятий на запасах месторождений железорудного бассейна Курской Магнитной Аномалии.
Уже в самом начале нового этапа развития горнодобывающей отрасли стало очевидным, что применяемые способы и системы нуждаются в радикальном совершенствовании, то есть проблемы осушения глубоких горизонтов и месторождений должны решаться на технически новом и высоком уровне. Для решения этой задачи в бассейне КМА в г. Белгороде в 1959 году был организован специализированный институт по осушению месторождений полезных ископаемых «ЦНИИгоросушение» (теперь ФГУП
ВИОГЕМ), в работе которого были привлечены ведущие силы АН СССР ИГД им. А.А.Скочинского, ВСЕГИНГЕО, ВО-
ДГЕО, Московского горного и геологоразведочного учебных институтов, «НИ-ИКМА» и др.
Направления исследований определялись содержанием проблем, возникающих в горно-добывающей промышленности, основные из них состояли в:
• освоении более глубоких и обводненных месторождений;
• переходе к отработке глубоких горизонтов на действующих предприятиях;
• переходе на ряде предприятий на комбинированный открыто-подземный и подземный способы разработки месторождений;
• освоении месторождений в арктической зоне и в других регионах с суровыми неблагоприятными климатическими условиями;
• необходимости разработки месторождений под водными объектами и др.
Весьма неполный перечень возникших проблем говорит о том, что в большинстве случаев работа над ними начинается, как правило после их возникновения. С этой точки зрения, идея осушения глубокозале-гающих месторождений системами восстающих дренажных скважин, закладываемых из подземных горных выработок,
Статический уровень подземных вод руднокристаллического водоносного горизонта
Статический уровень подземных вод каменноугольного водоносного горизонта
Динамический уровень подземных вод каменноугольного водоносного горизонта
Динамический уровень подземных вод рудно-кристаплического водоносного горизонта
Рис. 1. Схема осушения Яковлевского рудника
возникла своевременно с принятием решения о строительстве Яковлевского подземного рудника КМА.
Богатые железные руды Яковлевского месторождения залегают на глубинах 500580 ми перекрыты мощной толщей обводненных осадочных пород. На площади первоочередной отработки развиты семь водоносных горизонтов с напорами подземных вод до 600 м. Здесь следует подчеркнуть, что более 50 % руд представлены рыхлыми неустойчивыми разностями (рис. 1).
При отработке месторождения с закладкой выработанного пространства в
обводнении горных выработок принимают участие воды каменноугольного и руднокристаллического водоносных горизонтов.
В этих условиях институтом была предложена новая технология осушения указанных водоносных горизонтов, которая состояла в переходе к осушению указанных горизонтов системами восстающих дренажных скважин [1].
Для претворения сформулированной идеи нового технического решения предстояло решить ряд сложных теоретических, технологических и организационных задач. Наиболее масштабной и сложной из них была связана с разработкой техниче-
ских средств, необходимых для реализации предлагаемой технологии в промышленных условиях.
Для этого было необходимо разработать конструкции параметрического ряда буровых установок применительно к различным горно-геологическим условиям, выполнить конструкторскую документацию, изготовить опытные образцы новой буровой техники, провести заводские, а затем приемочные испытания в промышленных условиях, освоить серийный (малосерийный) выпуск технических средств и организовать внедрение разработанных технологий и технических средств в промышленных масштабах.
В связи с длительными сроками проходки глубоких шахтных стволов и недостаточными объемами финансирования строительства Яковлевского рудника, предложенная технология и экспериментальный образец установки подземного бурения (УПБ-1) проходили испытания при строительстве Запорожского железорудного комбината № 1 (ЗЖРК № 1) на Южно-Белозерском месторождении, которое в определенной мере является аналогом Яковлевского месторождения. На Запорожском комбинате взамен системы водопонижающих скважин и сквозных фильтров было пробурено и введено в эксплуатацию 105 восстающих скважин глубиной до 150 м, что позволило обеспечить необходимое снижение уровней вод бучакского водоносного горизонта и подготовить рудник к сдаче в эксплуатацию.
Успешные испытания предложенных технологий и технических средств убедили научно-техническую общественность и специалистов руководящих структур в эффективности нового способа осушения глубокозалегающих месторождений. Полученные на практике удовлетворительные результаты стали тем необходимым толчком для открытия финансирования на продолжение научно-исследовательских и опытно-про-мышленных работ в соответствии с выдвинутой концепцией новой
технологии и технических средств осушения.
Анализ отрабатываемых и перспективных глубокозалегающих месторождений позволил установить технологические параметры безопасного бурения восстающих скважин и технические характеристики требуемых технических средств, которые согласно поставленной цели должны были обеспечить:
• бурение восстающих наклонных и вертикальных скважин в заданном направлении и необходимой глубины;
• проходку скважин в вертикальной плоскости с углом наклона к горизонту от 00 до 900;
• бурение дренажных скважин как в устойчивых, так и в неустойчивых обводненных трещиноватых и песчаноглинистых породах;
• проходку скважин буровыми установками в породах от I до Х11 категории пород по буримости глубиной до 500 м;
• разработку буровых установок на базе гидроприводов;
• отклонения забоя от заданного направления на каждые 100 м бурения не более чем на 1 м;
• недопущение прорывов воды и выноса обводненных пород по стволу скважины, значительно превышающих ее объем;
• вскрытие дренируемого горизонта при сохранении природной водопроницаемости и формировании в прифильтро-вой зоне естественного фильтра;
• возможность использования энергоисточников, имеющихся в подземном дренажном комплексе;
• безаварийность буровых работ при вскрытии высоконапорных водоносных горизонтов с применением превен-торных устройств;
• заданную первоначальную скважность, целостность и водопропускную
способность установленного фильтра;
• определение уплотнений в узлах буровых установок с учетом пластовых
давлений подземных вод при превышении их не менее чем на 50 %;
• безотказную работу в шахтных условиях с повышенной влажностью;
• унификацию отдельных узлов и блоков буровых установок с применением гибких соединений между собой, легкость выполнения монтажно-демон-тажных работ, различные варианты размещения отдельных блоков в горных выработках;
• механизацию трудоемких операций при бурении скважин;
• соответствие габаритов блоков буровых установок параметрам подземных горных выработок, отдельных камер и рассечек;
• допустимую массу отдельных узлов установок;
• создание насосными блоками установок противодавления, превышаю-щего естественные пластовые до 50 %;
• оснащение буровых установок приспособлениями для их транспортировки в подземных горных выработках;
• наличие устройств для раскрепления бурового агрегата в горных выработках, способных воспринимать все реактивные силы, возникающие при бурении;
• конструктивные решения в соответствии с требованиями правил безопасности для подземных горных работ.
Важным результатом выполненного анализа следует считать вывод о том, что в связи с многообразием природных условий месторождений полезных ископаемых и параметров горных выработок возникает необходимость в разработке параметрического ряда спе-циализированных буровых установок.
По итогам промышленных и приемочных испытаний установки УПБ-1 институтом ВИОГЕМ была разработана первая специализированная установка УПБ-1М, которая затем выпускалась малыми сериями. В 1982 г. была принята ведомственной комиссией установка дренажного бурения УДБ-12, в 1984 г. - установка УДБ-8 (рис. 2), которая также рекомендована к постановке на производство. В 1989 году проведены приемочные испытания установки УДБ-9. В последние годы были созданы еще две установки УДБ-8-01 для бурения восстающих скважин на глубину 300 м и установку нового поколения УДБ-8-01М - до 500 м. Все перечисленные установки в настоящее время выпускаются малыми сериями экспериментальным цехом ФГУП ВИОГЕМ [1].
Основные технические характеристики разработанных буровых установок приведены в таблице.
Одновременно с буровыми установками разработано и выпускается необходимое технологическое оборудование (буровой инструмент, обвязка устьев скважины, фильтровые колонны, водовыпуски и др.).
Главными достоинствами созданных для подземных условий буровых установок следует считать: применение гидроприводов, блочность, простота монтажа, обеспечение безопасности бурения, возможность бурения в любых породах по прочности и устойчивости под высокими напорами подземных вод.
• Для разработки нового способа осушения месторождений был применен комплексный подход. Параллельно
^Буровые установки типа УДБ-8, УДБ-9 и УДБ-8-01 предназначены для бурения вертикальных, горизонтальных и наклонных дренажных скважин при напорах на устье до 7,5 МПа и технических скважин шарошечными долотами и погружными пневмоударниками, разведочных скважин твердосплавными и алмазными коронками в подземных горных выработках, карьерах и на промплощадках.
✓У буровых установок типа УДБ-8М, УДБ-9М и УДБ-8-01 повышена эффективность бурения разведочных скважин, т.к. Они имеют высокую частоту вращения бурильных штанг, что позволяет применять и алмазные коронки.
вращатель
рама
Пульт
управления
домкраты винтовые и гидравлические
подхват для труб
раскрепитель бурильных штанг
поворота подкос
вилка для бурильных штанг
цилиндр подачи
Маслостанция
Рекомендуемый насос НБ4 160/63
Технические характеристики буровых установок типа УДБ
Типы установок УДБ-8 УДБ-9 УДБ-8-01 УДБ-8М УДБ-9М УДБ-8-01 М
Рекомендуемая глубина бурения, м 150 150 300 250 250 500
Диаметр бурения, мм начальный: 190 190 190 190 190 190
Конечный: 93 93 93 59 59 59
Привод бурового станка: Г идравлич е с к и й
Усилие подачи. кН
- при подаче в скважину: 100 100 120 100 100 120
- при обратном ходе: 50 50 120 100 100 120
Частота вращения шпинделя вращателя. С 0..2.33 0..2.33 0..3.0 0..21 0..21 0..21
Крутящий момент максимальный, нМ 800 800 1600 800 800 3400
Ход подачи, мм 1400 925 1400 1400 925 1400
Установленная приводная мощность. кВт 20 20 35 24 24 53
Диаметр бурильных штанг, мм 89.73.63 89.73.63 89,73.63 89,73,63. 89.73.63 89.73.63.
50,42 50.42 50,42
Угол бурения к вертикали, град. 0...180
Рис. 2. Буровые установки типа УДБ
№ Параметры Наименование
п/п установок (основные) УПБ-1М УДБ-8 УДБ-9 УДБ-12 УДБ-8-Gl УДБ-8-GlM
1 Глубина бурения (м) шарошечными долотами
0 151, 132 мм 100 150 100 150 150 250
0 112, 93 мм 150 150 250 300 500
алмазными коронками
0 76, 59 мм
2 Направление бурения к горизонту, град. 0^180 0^180 0^180 90^10 0^180 0^180
З Установленная приводная мощность, кВт 20 20 20 35 35 53
4 Усилие подачи, кН:
вперед 75,0 100,0 100,0 125,0 100,0 150,0
назад З8,0 50,0 50,0 б4,0 50,0 75,0
5 Частота вращения шпинделя, мин-1 0-230 0-140 0-140 0-96 0-170 0-1200
б Максимальный крут. момент, кН.м (кгс.м) 0,8 0,8 0,8 1,35 1,65 2,5
(80) (80) (80) (135) (165) (250)
7 Ход подачи, мм 1380 1400 925 1500 1400 1400
8 Диаметр буровых штанг, мм 73 89 89 89 89 89,73,63,50
9 Длина буровых штанг, мм 1200 1200 900 1200 1200 1200
10 Минимальный размер камеры (длинахширинахвысота), м 6хЗхЗ,4 6хЗхЗ,4 6хЗхЗ,4 6х3х3,4 6х3х3,4 6х3х3,4
с разработкой технологии и технических средств авторами проводились: теоретические исследования по гидродинамическому обоснованию эффективности предложенного способа и разработке методики фильтрационных расчетов систем восстающих скважин в различных пластовых условиях;
• разработка методики математического моделирования систем осушения с использованием компьютерных технологий для наиболее сложных гео-лого-гидрогеологических условий;
• работы по созданию справочнонормативной базы и технической литературы, необходимых для проектирования дренажных систем;
• освоение предложенного способа осушения месторождений;
• освоение серийного (малосерийного) выпуска новых технических средств;
• организация подрядного звена по выполнению на предприятиях строительно-монтажных работ по сооружению дренажных систем, базирующихся на применении восстающих скважин и многое другое.
Созданные прогрессивные технологии и технические средства осушения месторождений позволяют устранить или обойти основные недостатки и слабые стороны применявшихся известных традиционных способов осушения глубоких месторождений, а именно [1]:
• отказаться от необходимости бурения глубоких водопонижающих скважин и сквозных фильтров;
• уйти от весьма сложных конструкций водопонижающих скважин, пересекающих покровную толщу отложений, содержащих несколько высоконапорных водоносных горизонтов;
• не проходить дополнительных горных выработок для подсечения водопонижающих скважин в результате их искривления при переводе их в сквозные фильтры;
• не применять погружных скважинных насосов и проведение одновременной откачки воды из большого числа скважин, что заметно снижало эксплуатационную надежность дренажной системы;
• сократить значительные объемы ремонтных работ по замене погружных насосов;
• значительно снизить объемы гидроизоляционных работ в целях предотвращения смешения подземных вод и дополнительного их поступления в горные выработки;
• устранить возможность проникновения загрязнений с поверхности через устья скважин или затрубному пространству, а также из других пересекаемых скважинами водоносных горизонтов;
• не решать сложные вопросы энергоснабжения и автоматизации работы водопонижающих скважин;
• не сооружать протяженные коллекторы для отведения дренажных вод, особенно в суровых климатических условиях;
• не бурить новые дополнительные водопонижающие скважины в связи с их ликвидацией при выполнении вскрышных работ;
• не оставлять значительный столб воды в восстающих скважинах, необходимый для нормальной эксплуатации погружных насосов в водопонижающих скважинах;
• значительно упростить оперативность управления водоотбором и уровен-ным режимом в процессе осушения.
Отмеченные преимущества позволяют существенно снизить капитальные и эксплуатационные затраты на осушение месторождений, повысить надежность, техническую и экономическую эффективность осушения месторождений предложенным способом.
Указанные преимущества разработанных технологий и технических средств
Рис. 3. Система осушения шахтного поля наклонно-востающими дренажными скважинами
обеспечили широкий фронт внедрения нового способа.
На сегодня системы восстающих дренажных скважин и технические средства для их сооружения внедрены в производство на предприятиях:
• России: Стойленский, Михайлов-
ский, Лебединский и Ковдорский ГОКи,
комбинат «Печенганикель», Яковлевский рудник (рис. 1);
• в Украине: Запорожский железорудный комбинат и Таврический ГОК;
• в Казахстане: Качарский и Донской ГОКи (рис. 3), Соколовско-Сар-байский подземный рудник и Экибастуз-ский угольный комбинат;
• в странах дальнего зарубежья: карьер Мааньшаньского металлургическо-
го комбината (Китай), рудники Северной Чехии (продана лицензия).
В настоящее время пробурено более 1200 восстающих скважин (без учета закрытых предприятий).
Суммарный годовой экономический эффект по состоянию на 2003 год превысил 1,2 млрд рублей.
Способ защиты рудников и шахт от обводнения с помощью систем восстающих дренажных скважин относится к числу приоритетных технологий и имеет значительные перспективы для широкого применения в будущем.
Достаточно отметить, что глубина разработки ряда месторождений АК «Алроса» открытым способом достигла своих предельных значений. Для поддержания алмазодобычи на достигнутом уровне компания «Алроса» осу-ществляет развитие подземного способа разработки под-карьерных запасов. В настоящее время функционирует подземный рудник «Интернациональный», уже начато строительство подземных рудников «Мир» и «Айхал», в стадии завершения проектирования подземный рудник «Удачный», на котором предельная глубина карьера (610 м) будет достигнута в 2010 году. Месторождения алмазов, на которых планируется отработка глубоких горизонтов подземным способом, характеризующихся весьма сложными гидрогеологическими и суровыми климатическими условиями. Основными осложняющими факторами подземной разработки указанных месторождений следует считать [5]:
-значительные глубины ведения горных работ (свыше 500-600 м);
-развитие мощных и высоконапорных водоносных горизонтов, характеризующихся фильтрационной неоднородностью;
-слоистое строение водоносных комплексов;
-наличие тектонических разломов, содержащих подземные воды и др.
В указанных условиях надежным способом обеспечения безопасности подзем-
ных горных работ на больших глубинах является разработанный для этих целей ФГУП ВИОГЕМ способ осушения месторождений системами восстающих скважин.
Этот способ и предусматривается проектами осушения подземных рудников «Мир», «Интернациональный» и «Удачный».
Горевское месторождение свинцовоцинковых руд сложено метаморфи-зованными известняками с прослоями мергелистых сланцев и сидеритовыми породами. Мощность рудовмещающей толщи превышает 1000 м. Рудные тела мощностью от 20 до 140-150 м вместе с вмещающими породами круто падают (до 85о) в юго-западном направлении.
Коренные породы интенсивно дислоцированы [1, 2, 3, 4]. Региональная закономерно убывающая с глубиной трещиноватость развита примерно до глубины 700 м [6].
Гидрогеологические условия месторождения сложные. Максимальной водопроницаемостью и водообильностью характеризуются зоны разрывных нарушений, коэффициенты фильтрации таких зон находятся в пределах от 3 до 160 м/сут при относительно небольшой проницаемости массива (0,4-1,9 м/сут). Подземные воды гидравлически связаны с р.Ангарой. Первое и второе рудные тела располагаются в непосредственной близости от реки, то есть у контура питания трещинных вод с высокой обеспеченностью. Третье рудное тело практически полностью находится под руслом Ангары.
Месторождение до отметки +25 м разрабатывается открытым способом под защитой водопонижающих скважин с общим притоком 500-700 м3/ч и оттесняющей реку дамбы.
Более глубокая часть рудных тел отрабатывается подземным способом под защитой целика под дном карьера мощностью 100 м.
Сложность гидрогеологической обстановки и суровые климатические условия
постоянно ставят вопрос о необходимости совершенствования и повышения надежности применяемого способа защиты горных работ от обводнения.
Отработка крутозалегающих рудных тел, развитых до глубины 1000-1160 м, и тектоническая нарушенность обводненного массива предопределяют необходимость использования с погружением горных работ систем восстающих дренажных скважин и гидродинамически несовершенных противофильтрационных завес, а
1. Пономаренко Ю.В., Волков Ю.И., Кузькин В.С., Ливерко О.А. Теоретическое обоснование и преимущества применения систем восстающих дренажных скважин на обводненных объектах. Материалы 7-го Международного симпозиума «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях», Белгород, ФГУП ВИО-ГЕМ, 2003.
2. Виницкий К.Е., Трубецкой К.Н., Семенов Н. Н. О способах разработки Горевского месторождения. Цв. металлургия. - 1963. - № 15. С. 13-16.
3. Виницкий К.Е., Трубецкой К.Н. Исследование основных вопросов открытой разработки ме-
также разработанных для реализации указанных технологий современных специализированных технических средств.
Перспективу для широкого внедрения систем восстающих дренажных скважин следует связывать также с осушением глубоких горизонтов на рудниках Норильской группы полиметаллических месторождений, которые характеризуются слоистым строением вмещающих пород, значительными напорами подземных вод и наличием таликов.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
сторождения в сложных природных условиях. Краткий научный отчет. - М.: ИГД
им.А.А.Скочинского, 1964.- 46 с.
4. Алборов З.Б., Гуриев В.В., Гамосов Б.И. Некоторые вопросы отработки Горевского месторождения. Горн.ж. № 1, 1997.
5. Виганд В.А. Гидрогеологические проблемы отработки алмазных месторождений. Горн.ж. № 7, 2005.
6. Гоголева Н.П., Пономаренко Ю.В. Закономерности изменения фильтрационных свойств трещиноватых пород по глубине. ж. «Советская геология» №12, изд. «Недра», 1971.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------------
Трубецкой К.Н. - академик РАН, советник Президиума РАН, заведующий кафедрой РГГРУ, Москва,
Волков Ю.И. - кандидат технических наук, директор,
Изотов А.А. - кандидат технических наук, главный инженер,
Пономаренко Ю.В. - кандидат технических наук, научный консультант,
ФГУП ВИОГЕМ, г. Белгород.
